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문제 정의
- 일반적으로 역세척에는 많은 처리수와 동력비가 소요되기 때문에 정수장의 운영적인 측면에서도 잦은 역세척은 정수장의 운영에 많은 부담을 준다. 본 연구에서는 활성탄 여과지의 역세척 필요성에 대한 근본적인 이유를 규명하고, 역세척의 적정 주기를 파악하기 위하여 수질적인 조사와 함께 여과지 손실수도에 미치는 영향을 10℃ 이하의 저수온기에서부터 20℃ 이상의 고수온기에 걸쳐 pilot-plant를 이용하여 실험을 수행하였으며, 실 plant의 동일한 조건의 BAC 여과지들을 선정하여 역세척(backwashing) 주기 변경에 따른 정수장의 운영비 절감을 목적으로 하였다.
제안 방법
- BAC 여과지 역세척 이후의 BAC 여과지 유 출입수에 대한 수질분석과 운전시간 경과에 따른 손실수두를 측정하였다. 수질분석 항목은 탁도(2100An Turbidimeter, Hach, USA), 용존 유기탄소(TOC Analyzer, Sievers, USA) 및 종속 영양세균(heterotrophic plate count, HPC)을 분석하였으며, 손실수두는 수질분석을 위해 채수시점시 자연유하식 여과지의 유출부 배관 가장 상부를 기점으로 수위 높이를 손실수두로 측정하였다(Fig.
- H-정수장과 D-정수장의 생산용량의 실 plant에서 동일한 조건의 BAC 여과지를 선정해서 손실 수두와 연동한 역세척 조건(head-loss)과 기존 정수장에서 시행하고 있는 주기적인 역세척 조건(periodically)을 7월 4일부터 11월 28일까지 시행하면서 DOC 제거능, 유출·입수의 탁도비 및 처리수 중의 HPC를 조사한 것을 Fig. 7 (a)~(c)에 나타내었다.
- Pilot-plant BAC 여과지에 충진된 입상활성탄은 3년 이상 사용하여 유기성 오염물질들에 대한 흡착능이 거의 소진된 활성탄으로 BAC 여과지에 0.9 m3(가로 0.6 m ×세로 0.6 m × 깊이 2.5 m)을 충진하여 실험하였다.
- 2 NTU 이하를 유지하였다. 또한, BAC 여과지의 역세척은 손실 수두를 고려하여 필요에 따라 수행하였다.
- 각 정수장에서 선정된 여과지들은 동일한 조건(활성탄 충진시기 및 운전기간 등)으로 운전된 여과지들이며, 실험에 사용된 활성탄 여과지는 활성탄을 충진한 시점으로부터 2년 이상 경과하여 충진된 활성탄의 흡착능은 모두 소진된 여과지를 선정하였다. 선정된 여과지들을 2014년 7월 4일부터 11월 28일까지 운전하면서 기존의 주기적인 역세척 조건과 손실 수두와 연동한 역세척 조건에 따른 처리수의 수질 및 BAC 여과지의 상태를 비교하였다(Table 1).
- BAC 여과지 역세척 이후의 BAC 여과지 유 출입수에 대한 수질분석과 운전시간 경과에 따른 손실수두를 측정하였다. 수질분석 항목은 탁도(2100An Turbidimeter, Hach, USA), 용존 유기탄소(TOC Analyzer, Sievers, USA) 및 종속 영양세균(heterotrophic plate count, HPC)을 분석하였으며, 손실수두는 수질분석을 위해 채수시점시 자연유하식 여과지의 유출부 배관 가장 상부를 기점으로 수위 높이를 손실수두로 측정하였다(Fig. 1).
- 2에 나타내었다. 실험은 1~3차로 나누어 총 3회 진행하였다. 1차 실험기간(period 1) 11일 동안 유입수의 탁도는 0.
- 2 μm 멤브레인 필터로 여과하였다. 이 여지를 vial에 넣고 건조시킨 후 ethyl acetate 1 mL와 10 mL의 scintillation cocktail(Aquasol-2, Packard Co.)을 주입하여 liquid scintillation analyzer (Quantulus 1220, Perkin Elmer, USA)로 방사선량을 측정하였다. 얻어진 DPM (disintergrate per minute) 값으로부터 Parsons et al.
- 활성탄 부착 박테리아의 생체량(biomass)은 활성탄 습중량 1 g을 자연 건조시킨 후 식염수 100 mL에 투입하여 37 kHz, 190 W로 3분간 초음파 처리(DHA 1000, Branson, USA)하여 박테리아를 활성탄에서 탈리시켜 R2A agar (Difco, USA) 평판배지에 시료 1 mL를 단계적으로 희석 도말하여 25℃ 배양기에서 2주간 배양하여 습중량 1 g당 colony 형성 세균수로 표시하였다(Son et al., 2005). 활성도(activity)는 3H-thymidine이 박테리아의 DNA에 흡수되는 정도로 구하였다(Fuhrman and Azam, 1982).
- 활성탄 여과지의 적정 역세척 주기 평가를 위해 파일럿 및 실 플랜트의 활성탄 여과지를 이용하여 주기적인 역세척 조건과 손실 수두에 연동한 역세척 조건을 비교 운전하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 실 plant는 1일 60만 톤(H-정수장) 및 155만 톤 생산 용량(D-정수장)인 두 정수장의 BAC 여과지를 각각 두 지씩 선정하였다. 각 정수장에서 선정된 여과지들은 동일한 조건(활성탄 충진시기 및 운전기간 등)으로 운전된 여과지들이며, 실험에 사용된 활성탄 여과지는 활성탄을 충진한 시점으로부터 2년 이상 경과하여 충진된 활성탄의 흡착능은 모두 소진된 여과지를 선정하였다. 선정된 여과지들을 2014년 7월 4일부터 11월 28일까지 운전하면서 기존의 주기적인 역세척 조건과 손실 수두와 연동한 역세척 조건에 따른 처리수의 수질 및 BAC 여과지의 상태를 비교하였다(Table 1).
- 실 plant는 1일 60만 톤(H-정수장) 및 155만 톤 생산 용량(D-정수장)인 두 정수장의 BAC 여과지를 각각 두 지씩 선정하였다. 각 정수장에서 선정된 여과지들은 동일한 조건(활성탄 충진시기 및 운전기간 등)으로 운전된 여과지들이며, 실험에 사용된 활성탄 여과지는 활성탄을 충진한 시점으로부터 2년 이상 경과하여 충진된 활성탄의 흡착능은 모두 소진된 여과지를 선정하였다.
이론/모형
- 얻어진 DPM (disintergrate per minute) 값으로부터 Parsons et al.(1984)에 의한 식을 이용하여 incorporation된 thymidine의 양을 계산하였다(Bell et al., 1983).
성능/효과
- 1. 활성탄 여과지에서 손실수두를 유발하는 인자로는 과포화된 공기가 입상활성탄에 유입되어 기포를 입상활성탄 입자 공극사이에 형성함으로써 발생하였으며, 탁질 물질에 의한 공극폐쇄는 거의 없었고, 현행 약 1주일 주기로 행하는 입상활성탄 역세척 주기를 모래여과수의 탁도가 0.2 NTU 이하로 유지되어 유입된다면 입상활성탄 역세척 주기를 1달 정도로 변경이 가능하였다.
- 2. 10℃ 이하의 저수온시 입상활성탄 표면에 서식하는 종속영양세균의 활성도가 낮아 처리수 중에 누출되는 수가 20℃ 이상의 고수온시 보다 많았다.
- 3. 실제 정수장에서 활성탄 여과지의 역세척 주기 변화에 따른 유출수중의 DOC나 HPC 및 탁도 등의 수질 차이는 거의 없었다.
- 4. 손실수두를 이용하여 역세척 주기를 결정할 경우, 100만 톤/일 생산용량의 실제 정수장에서는 연간 2,660,000 톤 정도 역세척수 사용량의 절감이 가능하였다.
- 3차 실험기간 35일 동안에는 거의 초기의 손실 수두(11 cm)를 유지하였다. BAC 공정은 생물학적 처리공정으로 수온이 증가하면 활성탄의 부착 미생물들의 생체량 증대로 인한 손실 수두 증가가 예상되었으나 손실 수두 증가는 나타나지 않았으며, 이는 수온의 증가만으로는 활성탄 표면의 부착 미생물들의 군집이 손실 수두의 증가를 유발할 만큼 과다하게 증식되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 특히 하절기에 BAC 여과지의 경우, 손실 수두 측면에서는 주 1 2회의 잦은 역세척은 불필요하며, 역세척 주기를 30일 정도로 하여 운전하여도 손실 수두에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 5 m)을 충진하여 실험하였다. BAC 여과지의 유입수는 낙동강 원수를 응집-침전-여과처리한후 오존처리한 것으로 BAC 여과지의 유입유량은 시간당 1.7 m3 정도로 이를 공탑 체류시간(empty bed contact time, EBCT)으로 환산하면 약 32분 정도이며, 유입수의 탁도는 평균 0.2 NTU 이하를 유지하였다. 또한, BAC 여과지의 역세척은 손실 수두를 고려하여 필요에 따라 수행하였다.
- Fig. 3에서 볼 수 있듯이 BAC 공정의 운전기간 중 수온 10℃ 부근에서는 BAC 처리수 중으로 탈리되는 HPC가 1.2×105 CFU/mL 정도로 나타났으며, 수온이 점진적으로 증가할수록 BAC 처리수 중의 HPC는 점차 감소하여 HPC가 0.005×105~ 0.03×105 CFU/mL 정도로 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다.
- Fig. 7 (a)에 나타낸 H-와 D-정수장 BAC 여과지의 DOC 제거율을 살펴보면, H-와 D-정수장에서 기존의 주기적인 역세방법으로 운전한 BAC 여과지의 평균 DOC 제거율은 각각 15.2%와 26.2%로 나타났으며, 손실 수두와 연동한 역세척 조건으로 운전한 BAC 여과지의 평균 DOC 제거율은 각각 19.3%와 31.2%로 나타나 손실 수두와 연동한 역세척 조건으로 운전한 BAC 여과지의 평균 DOC 제거율이 기존의 주기적인 역세방법으로 운전한 BAC 여과지의 평균 DOC 제거율 보다 4%~5%정도 높게 나타났다.
- BAC 공정은 생물학적 처리공정으로 수온이 증가하면 활성탄의 부착 미생물들의 생체량 증대로 인한 손실 수두 증가가 예상되었으나 손실 수두 증가는 나타나지 않았으며, 이는 수온의 증가만으로는 활성탄 표면의 부착 미생물들의 군집이 손실 수두의 증가를 유발할 만큼 과다하게 증식되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 특히 하절기에 BAC 여과지의 경우, 손실 수두 측면에서는 주 1 2회의 잦은 역세척은 불필요하며, 역세척 주기를 30일 정도로 하여 운전하여도 손실 수두에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 수온 구간별로 DOC 제거율을 조사한 결과를 보면 수온이 15℃ 일 때의 평균 DOC 제거율은 16.5%, 수온이 15℃~20℃ 사이일 경우에는 18.6%였으며, 수온이 20℃ 이상일 경우의 평균 DOC 제거율은 16.1%로 나타났다.
- 7 (a)~(c)에 나타내었다. 실험기간 동안 H- 및 D-정수장의 BAC 여과지의 역세척 횟수의 경우, 주기적인 역세척조건으로 운전한 BAC 여과지는 각각 역세척 횟수가 21회와 23회였으며, 손실 수두와 연동한 역세척 조건으로 운전한 BAC 여과지는 각각 4회와 8회로 나타나 역세척 횟수가 각각 81% 및 65% 정도 감소하였다.
- 운전기간 동안의 평균 유·출입수의 DOC 농도는 각각 1.79 mg/L 및 1.48 mg/L였으며, 평균 DOC 제거율은 17.3%로 나타났다.
- 유입수의 수온이 10℃ 부근인 1차 실험기간 동안 2회 분석한 부착 박테리아의 생체량과 활성도의 평균값은 각각 1.575×107 cells/g 및 1.85 mg·C/m3·hr로 나타나 수온이 상승한 2차 및 3차 실험기간의 생체량과 활성도 측정결과 보다 각각 22.0% ~ 29.3% 및 29.9% ~ 34.4% 정도 낮은 결과를 보였다.
- 기존의 주기적인 역세척 조건으로 운전한 BAC 여과지 보다 손실 수두와 연동한 역세척 조건으로 운전한 BAC 여과지의 역세척 주기가 훨씬 길어진다. 즉, BAC 여과지의 경우 주기적으로 주 1회 정도의 잦은 역세척을 시행하는 방법에 비해 BAC 여과지의 손실 수두가 역세척 시점에 도달했을 때 역세척을 행하는 방법은 월 1~2회 정도의 비교적 적은 역세척 횟수로도 BAC 여과지 관리 및 처리수의 수질에 문제가 없음을 나타낸다.
후속연구
- 세척시 수류의 전단력에 의해 활성탄 부착 미생물 탈리가 발생하기 때문에 저수온기에 시행하는 역세척의 경우는 부착 박테리아들의 낮은 활성도로 인해 역세척시 쉽게 탈리되며, 역세척 후에 부착 미생물들의 생체량이 안정화되는데 많은 시간이 필요하다. 따라서 주기적인 역세척 보다는 BAC 여과지의 손실 수두 등을 고려하여 역세시점을 가능한 연장하여 운전하는 것이 필요할 것으로 본다.
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